Szkielet otwarty vs szkielet zamknięty (czy aby na pewno zawsze wytrzymalszy i sztywniejszy ?)

Generalnie broń krótka taka jak rewolwery oraz pistolety.
Awatar użytkownika
Ursus_c35
Bywalec
Posty: 287
Rejestracja: śr 06.paź.2021 - 11:49
Moja broń: RUGER OLD ARMY

Szkielet otwarty vs szkielet zamknięty (czy aby na pewno zawsze wytrzymalszy i sztywniejszy ?)

Post autor: Ursus_c35 »

Szkielet zamknięty czy otwarty to równie retoryczne pytanie co być albo nie być każdego początkującego Shakespeare’a rozdzielnego ładowania w pseudo-historycznej replice rewolweru. Wyższość ergonomiczna szkieletu zamkniętego jest naturalnie uzasadniona i podparta produkcyjnym triumfem. W tym poście nie chciałbym jednak skupiać się na wadach i zaletach obydwu ani rozsądzać, który jest lepszy i dlaczego narażając się tym samym statystycznej połowie czytelników. Moim celem jest poddanie nowoczesnej retrospekcji od lat powtarzanym z należytym namaszczeniem i pietyzmem twierdzeń rodem od Irytującego Historyka, którego nota bene serdecznie pozdrawiam :D. Te twierdzenia to „szkielet zamknięty jest dużo sztywniejszy i wytrzymalszy przez co może znosić dużo większe naważki”. Naturalnie obracamy się w historycznych konstrukcjach bez wkraczania w porównania Texasa do SuperBlackhawka. W celu zbadania przytoczonych powyżej twierdzeń oddawszy się głębszym refleksjom postanowiłem przeprowadzić symulacyjny pojedynek równie leciwych konkurentów na historycznym ringu. I tak w prawym narożniku znany i lubiany Army 1860 zaś w lewym jeszcze bardziej znany i jeszcze bardziej lubiany Reminigton 1858. Kalibry naturalnie 44. Do przeprowadzenia pojedynku zaprzągłem Metodę Elementów Skończonych, przy pomocy której porównałem naprężenie i odkształcenie zredukowane wg. HMH oraz deformację całkowitą obydwu szkieletów w analizie czysto statycznej... Modele 3D szkieletów zostały zbudowane na podstawie pomiarów Pietty z roku 2022 (szkielet R1858 otrzymałem gościnnie zaś A1860 zbudowałem we własnej chałupie). Warunki brzegowe natury przemieszczeniowej i obciążeniowej przyjąłem te same dla obydwu konstrukcji. Mam tu na myśli odebranie wszystkich stopni swobody na płaszczyznach chwytu co odpowiada utwierdzeniu w imadle. Obciążenia przyjąłem w postaci dwóch sił. Siły pochodzącej od wycałkowanego maksymalnego ciśnienia spalania prochu po dennicy bębenka , który kolejno napiera swoją tylną powierzchnią na ścianą tylną szkieletu. Druga z sił jest przyłożona do powierzchni bocznej otworu pod lufę w R1858 oraz do powierzchni bocznej okna rowka na klin w osi A1860. Oś w Army została zrobiona o jednej najmniejszej średnicy. Dobór tych sił nie był łatwy do oszacowania i nie upieram się że jest nieskończenie bliski rzeczywistości. Z uwagi na trudny dostęp do danych dla CP oszacowałem wartość średniego ciśnienia na długości przewodu lufy jedynie po parametrach dynamicznych takich jak prędkość i masa pocisku. Świadomie zaniedbując niewielką energię związaną z obrotem możliwie prostym równaniem opisałem równoważność przyrostu energii kinetycznej pocisku i pracy wypadkowego ciśnienia na długości lufy. Z tej równości można oszacować wartość wypadkowego ciśnienia a za takowe uważam ciśnienie spalania pomniejszone o ciśnienie stracone na pokonanie oporu gwintu. Ponieważ nie znalazłem dostatecznie satysfakcjonującego mnie oszacowania ciśnienia traconego na pokonanie oporu gwintu postanowiłem sięgając do Podstaw Teorii Sprężystości wyprowadzić własną uproszczoną teorię. Otóż chcąc oszacować ciśnienie stracone na pokonanie oporu gwintu rozważyłem pocisk w kształcie cylindra wirującego ze średnią prędkością kątową oraz poruszającego się ze średnią prędkością liniową , poddanego dodatkowo polu temperatury.
pocisk.png
Dalej rozważyłem pracę ciśnienia straconego jako sumę pracy spożytkowanej na ścięcie powierzchni bocznej cylindra (nacięcie gwintu) oraz pracę siły tarcia motywowanej wyłącznie naciskiem z tytułu ekspansji promieniowej pocisku w ramach jego obrotu oraz ekspansji termicznej wynikającej z (nierównomiernego) nagrzania. Schemat rozkładu temperatury pocisku został przyjęty jako złożenie stałej temperatury rdzenia sięgającego do 0.95 promienia całkowitego oraz na 0.05 promienia przyłożyłem logarytmiczny rozkład temperatury od 22 do 39 stopni Celsjusza. (Te dane to oczywiście wydumka ale pseudo-fizyczna). Tak postawione rozkłady temperatury spełniają równanie termiczne . Całkując siłę tarcia zarówno po długości przewodu lufy jaki i kącie obrotu wynikającym ze skoku gwintu otrzymujemy pracę na całym gwincie. Dalej wystarczyło już tylko podzielić pracę przez długość lufy oraz pole jej przewodu by otrzymać wartość średniego ciśnienia straconego na pokonanie oporu gwintu , które zleży u mnie od granicy plastyczności dla ołowiu , długości lufy , jej kalibru , długości pocisku , skoku gwintu lufy , współczynnika tarcia , masy i średniej prędkości pocisku , modułu Younga oraz stałej Poissona dla ołowiu i wreszcie od przedziału rozkładu temperatury oraz jej różnicy. Taki model ciśnienia straconego wykazuje największą wrażliwość na efekt termiczny jako dominujący.
Obliczenia.png
Przy danych jak niżej ciśnienie stracone sięga niespełna 10 [MPa] (i może być to wartość przeszacowana dla pocisku a dla kuli nawet znacznie) zaś średnie ciśnienie całkowite 29 [MPa] (zatem do obliczeń wziąłem 50 [MPa] jako uchwycenie ew. piku). Te ciśnienia następnie przeliczyłem na siły obciążające szkielety i tak części tylne zostały obciążone siłami odpowiadającymi ciężarowi około 500kg (5130[N]) zaś części przednie siłami rzędu około 100 [kg] 1026[N]. Ku mojemu zaskoczeniu analiza wykazuje że szkielet otwarty A1860 z uwagi na solidniejszą tylną część przy tym samym obciążeniu doznaje mniejszego naprężenia , przemieszczenia oraz odkształcenia co skutkuje stwierdzeniem że w takim porównaniu wypada jako wytrzymalszy i sztywniejszy od R1858 nie do końca potwierdzając głoszone do tych czas tezy w tej tematyce …
1RC.png
2RC.png
3RC.png
4RC.png
Załączniki
Teoria.pdf
(104.26 KiB) Pobrany 49 razy
Vegvisir

Re: Szkielet otwarty vs szkielet zamknięty (czy aby na pewno zawsze wytrzymalszy i sztywniejszy ?)

Post autor: Vegvisir »

Bardzo ciekawe opracowanie kolego, widząc jednak co sie ostatnio dzieje i jacy ludzie szczekaja najwiecej obawiam sie, że mogłes jak w przypadku praski mimosrodowej znowu stracic czas...
Wycior
VIP
Posty: 2071
Rejestracja: pt 14.kwie.2017 - 14:45
Lokalizacja: Okolice Katowic
Moja broń: CP i ostry jęzor

Re: Szkielet otwarty vs szkielet zamknięty (czy aby na pewno zawsze wytrzymalszy i sztywniejszy ?)

Post autor: Wycior »

Drogi Kolego Ursus_c35, zawsze fascynowało mnie Twoje zamiłowanie do analitycznego atakowania problemów i zręczność z jaka posługujesz się fizyką i aparatem matematycznym. Wnioski z Twoich obliczeń rzeczywiście wydają się ciekawe i dość zaskakujące. Po prostu Ci gratuluję! To co robisz rozwija naszą praktyczną wiedzę o historycznej broni palnej. Co najważniejsze - nie jest wyssaną z palca wydumką ale ma gruntownie uzasadnione, czego w bronioznawstwie można oczekiwać. W epoce nie brakowało genialnych matematyków ale bez komputera wykonanie podobnych symulacji byłoby wtedy praktycznie niewykonalne.

Do rozkładu naprężeń nie mam pytań. Nawet gdyby był tylko przybliżony to jednak do obydwu modeli zastosowano tą samą metodę. Dlatego przy porównaniu ewentualne błędy przynajmniej częściowo się znoszą. Dokładna znajomość ciśnienia gazów także nie powinna być krytyczna, o ile te samą wartość założono dla obydwu modeli. Z mojego punktu widzenia wynikające z porównania wnioski jakościowe są więc jasne. Tym niemniej, aby dyskusja mogła się rozwinąć, spróbuję wcielić się w rolę "advocatus diaboli".

Problem wytrzymałości i sztywności konstrukcji może sprowadzać się nie tylko do samego rozkładu naprężeń. W zamkniętej ramie (Remington, Whitney, R&S, Savage, itd., ale i Colt Root) nie ma "rozbieralnych" połączeń. Starr ma coś takiego ale w praktyce jest to bardzo sztywne złącze, ustalone śrubą. Na potrzebę tego wątku zaliczyłbym go więc do szkieletów zamkniętych. Natomiast w Coltach 1849, 1851, 1860, Manhattanach i podobnych szkielet jest łączony klinem. Klin musi wytrzymać całe naprężenie "rozciągające" ramę, ale jego przekrój jest stosunkowo niewielki w porównaniu z przekrojem ramy Remingtona. Będzie tak nawet jeżeli przyjmiemy - jak wynika z Twoich diagramów - że górna "gałąź" ramy jest obciążona mocniej. Poza tym klin może mieć luz - spowodowany zużyciem albo pospieszną, niestaranną obsługą. W tym przypadku w chwili strzału nastąpi nieuchronny ruch lufy względem ramy. Nawet jeżeli będzie to tylko ułamek milimetra to i tak wywoła dodatkowe obciążenie dynamiczne.

Drugim elementem jest nieunikniony luz osi bębna w stosunku do przewidzianego dlań otworu w bloku lufy. Sądzę że w chwili strzału wektor naprężenia nie będzie zgodny z osią lufy. Uzasadniłbym to przesunięciem osi lufy względem osi bębna i podparciem dolnej części bloku lufy o spodnią część szkieletu. Dlatego przypuszczam że może także wystąpić pewien element odkształcenia dynamicznego. Zastanawiam się więc czy mimo korzystniejszego rozkładu naprężeń w otwartej ramie Colta zamknięty szkielet Remingtona itp. nie będzie jednak podlegał mniejszym wypadkowym odkształceniom, liczonym od wylotu lufy do tylnego końca ramy?
Awatar użytkownika
Ursus_c35
Bywalec
Posty: 287
Rejestracja: śr 06.paź.2021 - 11:49
Moja broń: RUGER OLD ARMY

Re: Szkielet otwarty vs szkielet zamknięty (czy aby na pewno zawsze wytrzymalszy i sztywniejszy ?)

Post autor: Ursus_c35 »

Oczywiście analiza jest stricte statyczna i nie bierze pod uwagę wyrobienia gniazda klina jak i luzu na bębnie R1858. Mowa o sprawnych konstrukcjach działających prawidłowo. W moim rachunku 500 "kg" znosi tylna część szkieletu zaś przód obciąża najwyżej 100 "kg". Pamiętajmy że klin pracuje podwójnym przekrojem ścinanym a oś colta jest dość solidna. Dla gwintu również obciążenie rzędu 100 kg nie robi większego wrażenia.
Awatar użytkownika
Ursus_c35
Bywalec
Posty: 287
Rejestracja: śr 06.paź.2021 - 11:49
Moja broń: RUGER OLD ARMY

Re: Szkielet otwarty vs szkielet zamknięty (czy aby na pewno zawsze wytrzymalszy i sztywniejszy ?)

Post autor: Ursus_c35 »

Vegvisir pisze: śr 18.sty.2023 - 12:56 Bardzo ciekawe opracowanie kolego, widząc jednak co sie ostatnio dzieje i jacy ludzie szczekaja najwiecej obawiam sie, że mogłes jak w przypadku praski mimosrodowej znowu stracic czas...
Dzięki kolego strata czasu to niestety coś co mnie kiedyś uśmierci :D
Awatar użytkownika
zlyzuw
Bywalec
Posty: 198
Rejestracja: pt 06.sty.2017 - 19:17
Moja broń: sporo

Re: Szkielet otwarty vs szkielet zamknięty (czy aby na pewno zawsze wytrzymalszy i sztywniejszy ?)

Post autor: zlyzuw »

Kolego Ursus, takie tematy powinno się gdzieś archiwizować dla potomnych.

Świetna robota! Mimo, że jestem miłośnikiem coltów to nie spodziewałem się takiego wyniku tego eksperymentu/badania. A ukłon z mojej strony jest tym niższy, ponieważ jestem matematycznym debilem i zawsze jestem pod wrażeniem jakie odpowiedzi potrafi dać matematyka.
Awatar użytkownika
Ursus_c35
Bywalec
Posty: 287
Rejestracja: śr 06.paź.2021 - 11:49
Moja broń: RUGER OLD ARMY

Re: Szkielet otwarty vs szkielet zamknięty (czy aby na pewno zawsze wytrzymalszy i sztywniejszy ?)

Post autor: Ursus_c35 »

Kolego Zlyzuw , Ty nie jesteś debilem a ja nie jestem matematykiem :D To raczej ja od dziecka uważam się za debila mimo że lubię między innymi matematykę(ale czy to do końca dobre to można by długo i namiętnie dyskutować...) Ta powyższa analiza nie jest żadnym przełomem ani niczym szczególnym. Jest uproszczona i statyczna(bez ukłonu w kierunku drgań) ale rzuca pewne światło na schemat obciążenia szkieletów oraz ich istotne gabaryty. Wartości tych obciążeń są raczej przeszacowane dla typowego vesuviusza na przybitce filcowej ale już szwajcar pod korek może powoli się zbliżać na pocisku. Nie umieszczałem tego tu ale pokusiłem się również o optymalizację szkieletu R1858 i okazuje się że program najchętniej nieomal wyciął by mu przęsło górne bo jest ono w takim modelu praktycznie nie wytężone.. Liczone naprężenie i odkształcenie jest zredukowane co oznacza że nie ma tu znaczenia jego kierunkowość bo jest tu zastosowana idea porównania w tym przypadku energii odkształcenia sprężystego dowolnie skomplikowanego stanu naprężenia w konstrukcji rzeczywistej do przypadku alternatywnego jednoosiowego rozciągania stąd ujmujemy w tym rachunku wszystko bez względu na kierunki, które zanikają w tensorowym iloczynie energetycznym
Awatar użytkownika
Mark
Bywalec
Posty: 109
Rejestracja: pt 13.paź.2006 - 22:27
Lokalizacja: Beskid Mały - Zagórnik
Moja broń: brak

Re: Szkielet otwarty vs szkielet zamknięty (czy aby na pewno zawsze wytrzymalszy i sztywniejszy ?)

Post autor: Mark »

Gdyby, na podstawie przedstawionych rozkładów naprężeń chcieć porównać wytrzymałość mechaniczną obu konstrukcji, to trzeba zadać pytanie, czy ewentualne przekroczenie ciśnienia w lufie zagrozi integralności całej konstrukcji. W przypadku ramy otwartej największe spiętrzenie naprężeń występuje na końcu osi bębna - w miejscu osadzenia klina i tam nastąpi pęknięcie, tym bardziej, że występuje tam efekt karbu, w wyniku czego rewolwer się rozleci.
W ramie zamkniętej przekroczenie naprężeń skutkujące odkształceniem lub pęknięciem nie zagrozi integralności konstrukcji a jedynie niesprawnością rewolweru. Oprócz tego można zauważyć, że rozkład naprężeń w ramie zamkniętej jest bardziej równomierny, co zapewnia większą wytrzymałość dynamiczną i trwałość eksploatacyjną konstrukcji.
Awatar użytkownika
Ursus_c35
Bywalec
Posty: 287
Rejestracja: śr 06.paź.2021 - 11:49
Moja broń: RUGER OLD ARMY

Re: Szkielet otwarty vs szkielet zamknięty (czy aby na pewno zawsze wytrzymalszy i sztywniejszy ?)

Post autor: Ursus_c35 »

Mark pisze: czw 19.sty.2023 - 09:24 Gdyby, na podstawie przedstawionych rozkładów naprężeń chcieć porównać wytrzymałość mechaniczną obu konstrukcji, to trzeba zadać pytanie, czy ewentualne przekroczenie ciśnienia w lufie zagrozi integralności całej konstrukcji. W przypadku ramy otwartej największe spiętrzenie naprężeń występuje na końcu osi bębna - w miejscu osadzenia klina i tam nastąpi pęknięcie, tym bardziej, że występuje tam efekt karbu, w wyniku czego rewolwer się rozleci.
W ramie zamkniętej przekroczenie naprężeń skutkujące odkształceniem lub pęknięciem nie zagrozi integralności konstrukcji a jedynie niesprawnością rewolweru. Oprócz tego można zauważyć, że rozkład naprężeń w ramie zamkniętej jest bardziej równomierny, co zapewnia większą wytrzymałość dynamiczną i trwałość eksploatacyjną konstrukcji.
Ciśnienie w lufie obciąża przede wszystkim lufę a dopiero po drugie resztą bo współpraca pocisku z lufą odbywa się przede wszystkim na zasadzie siły oporu gwintu. Tj pocisk pociąga lufę jedynie siłą tarcia zaś lufa naturalnie w kierunku promieniowym znosi wzrost ciśnienia. Za to tylna część szkieletu najbardziej odczuwa to ciśnienie i z pewnością nie była by z tego tytułu zadowolona zwłaszcza w R1858. W każdym szkielecie przekroczenie naprężenia jest złe ale najbardziej złe będzie w bębnie, który się rozleci jako pierwszy. I tak w R1858 dostanie szkielet a w A1860 do wymiany pójdzie tylko bęben ale to znowu reżysteia katastrof, których tu wgle nie uwzględniam :) Czy ja wiem czy bardzie równomierny ? nie mam niestety tak wprawnego oka :D
Awatar użytkownika
Mark
Bywalec
Posty: 109
Rejestracja: pt 13.paź.2006 - 22:27
Lokalizacja: Beskid Mały - Zagórnik
Moja broń: brak

Re: Szkielet otwarty vs szkielet zamknięty (czy aby na pewno zawsze wytrzymalszy i sztywniejszy ?)

Post autor: Mark »

Tutaj oceniamy tylko szkielet rewolweru.
W szkielecie otwartym spiętrzenie naprężeń występuje w miejscu newralgicznym dla wytrzymałości szkieletu, czego nie można powiedzieć o szkielecie zamkniętym.
Awatar użytkownika
Ursus_c35
Bywalec
Posty: 287
Rejestracja: śr 06.paź.2021 - 11:49
Moja broń: RUGER OLD ARMY

Re: Szkielet otwarty vs szkielet zamknięty (czy aby na pewno zawsze wytrzymalszy i sztywniejszy ?)

Post autor: Ursus_c35 »

Ale gdzie konkretnie występuje bo przestałem nadążać ? Przecież na osi w okolicach otworu pod klin mamy najwyżej 31[MPa] a wartości największe plasują się na tyle szkieletu. Mowa o rysunku drugim od góry
Awatar użytkownika
Mark
Bywalec
Posty: 109
Rejestracja: pt 13.paź.2006 - 22:27
Lokalizacja: Beskid Mały - Zagórnik
Moja broń: brak

Re: Szkielet otwarty vs szkielet zamknięty (czy aby na pewno zawsze wytrzymalszy i sztywniejszy ?)

Post autor: Mark »

No to czegoś tutaj nie rozumiem, ponieważ odkształcenia powinny być proporcjonalne do naprężeń.
W szkielecie otwartym największe odkształcenia są wykazane na końcu osi bębna - w miejscu osadzenia klina, co wydaje się logiczne.
Awatar użytkownika
Ursus_c35
Bywalec
Posty: 287
Rejestracja: śr 06.paź.2021 - 11:49
Moja broń: RUGER OLD ARMY

Re: Szkielet otwarty vs szkielet zamknięty (czy aby na pewno zawsze wytrzymalszy i sztywniejszy ?)

Post autor: Ursus_c35 »

Największe wypadkowe przemieszczenie tam występuje rzędu 4 setek a nie odkształcenie :) Odkształcenie to rysunek 4 i jest największe na tyle.
Przemieszczenie poza tym jest tutaj wypadkowe i jest związane głównie z obrotem całej konstrukcji względem utwierdzenia w obydwu przypadkach
Awatar użytkownika
Mark
Bywalec
Posty: 109
Rejestracja: pt 13.paź.2006 - 22:27
Lokalizacja: Beskid Mały - Zagórnik
Moja broń: brak

Re: Szkielet otwarty vs szkielet zamknięty (czy aby na pewno zawsze wytrzymalszy i sztywniejszy ?)

Post autor: Mark »

Jasne. Rysunek przedstawia przyrost deformacji sprężystej na długości ramy.
Wynik tej symulacji pokazuje, że podczas wystrzału rama remingtona wydłuża się trzy razy bardziej od osi bębna colta. Jestem trochę zaskoczony.
Awatar użytkownika
Ursus_c35
Bywalec
Posty: 287
Rejestracja: śr 06.paź.2021 - 11:49
Moja broń: RUGER OLD ARMY

Re: Szkielet otwarty vs szkielet zamknięty (czy aby na pewno zawsze wytrzymalszy i sztywniejszy ?)

Post autor: Ursus_c35 »

No właśnie się nie wydłuża bo deformacja tam zaprezentowana jest wypadkowa (pierwiastek z sumy kwadratów deformacji we wszystkich kierunkach) i głównej mierze opiera się na obrocie całego szkieletu względem utwierdzenia. Cienie to szkielety przed deformacjà i widać że deformacja wzdłużna jest niewielka. Ale Twoje pytanie jest zasadne dlatego poniżej odpowiedz na temat deformacji w kierunku osi x doliczona na ciepło :)
5RC.png
ODPOWIEDZ